列车制动

第二章 列车制动总论
一、制动在铁路运输中的意义
制动系统是列车的重要组成部分，其性能的好坏和 制动能力的大小直接涉及列车能否安全运行。众所周， 由于列车在紧急情况下的安全需要，列车制动距离远小 于列车的牵引距离。制动系统在制动时所需要提供的制 动功率不但与列车速度三次方成正比，而且与列车的制 动距离成反比。从这个意义上讲，速度提高对列车制动 系统的考验，相比列车其他系统来得更为严峻。
在闸瓦与车轮这一对摩擦副中，车轮的主要任务是 承担车辆走行功能，因此其材料不能随意更改。要改善 闸瓦制动的性能，只能通过改变闸瓦材料的方法来改善 其摩擦性能。早期的闸瓦材料主要是铸铁。铸铁材料容 易取得、价格便宜，但其耐高温性能较差和摩擦系数较 低，磨耗量大。合成闸瓦基本上可以弥补铸铁闸瓦的缺 点，但由于其机体的主要成分是非金属材料，所以导热 性极差，制动功率过高时，容易损伤车轮踏面。兼具合 成闸瓦的优点又有良好散热性能的是粉末冶金材料闸瓦。
社会的进步与交通运输的发展是密切相关 的。现代交通运输在运送旅客方面必须提高和 改善快速、舒适、安全、准确、方便、经济等 指标。我们知道：“时间就是生命，时间就是 效益”。因此，提高列车运行速度和牵引重量 是提高铁路运输能力、实现铁路运输现代化的 重要内容。但是，如果没有性能良好的机车车 辆制动装臵，要提高列车速度和牵引重量以及 保证列车运输安全都是不可能的。列车制动是 进一步提高列车运用 作紧急制动时的一种补充制动方式。这种制动方式的缺点 是在制动时容易造成轨道的磨耗，列车运行时其结构复杂 的装臵增加了列车的重量。
2．动力制动 动力制动方式是在制动时将牵引电动机变成发电机， 通过它将列车动能转化为电能。对电机产生的电能的不同 处理方式，形成了不同方式的动力制动。高速列车上采用 的动力制动形式主要有电阻制动、再生制动、圆盘涡流制 动和线性涡流制动。 (1) 再生制动 再生制动方式是将列车动能转化的电能反馈回电网， 提供给别的列车使用。再生制动方式既节约能源又减少制 动时对环境的污染，并且基本上无磨耗，因此是一种非常 理想的动力制动方式。
2、制动装置一般可分两大组成部分：
1 ）制动机：产生制动原动力并进行操纵和控制 的部分。 2 ）基础制动装臵：传送制动原动力并产生制动 力的部分。
二、 列车制动组成及原理
将列车作为一个系统考察，制动系统和牵引系统一 样，仅仅是列车控制系统中的一个执行系统。它们的区 别是：制动系统是用来使列车减速或阻止其加速，而牵 引系统则正好相反。作为列车一个完整的支系统，制动 系统有其自身的原理，遵循其自身的规律。 为了对列车实施制动，必须在列车上安装有一整套 零部件组成的制动系统。制动系统至少由制动指令传输 装臵、制动控制装臵和制动执行装臵三个部分组成。
轨道涡流制动无摩擦部件，维修较小，但同样也存 在速度降低后制动力急剧下降的问题，所以必须和其他 制动方式配合使用。在制动时，轨道涡流制动的热量主 要由轨道承担，因此不需要考虑散热的问题。但制动过 程中对轨道信号的干扰、制动后轨道温度的上升，以及 后续列车甚至本列车后部车辆运行的安全性，需要进行 评估、研究。
§2－1 列车制动的概念及原理
1、 “制动”：人为地使列车减速或使其在规定 的距离内停车，反之，对已经施行的列车，解 除或减弱其制动作用，均可称之为“缓解”。 为使列车能施行制动和缓解而安装于列车上的 由一整套零部件组成的装臵，称为“列车制动 装臵”。 由制动装臵产生的与列车运行方向相反的 外力称为“制动力”。
但随着列车速度的减低，其制动力也急剧下降，因此在低 速时必须要和其他的制动方式配合使用。圆盘涡流制动的 制动能力受制动圆盘与电磁铁之问的间隙变化影响很大。 (4) 轨道涡流制动 轨道涡流制动的工作原理与圆盘涡流制动相同，但 结 构形式类似轨道电磁制动。在制动时，将安装在转向架构 架侧梁下的电磁铁放到离轨道表面上方几毫米的位臵，并 通电励磁，利用它和轨道的相对运动，在钢轨内部感应出 涡流，使钢轨发热，列车动能转化为热能，最终消散于大 气。
概括讲其意义： 1、确保铁路运输的安全； 2、提高列车的技术速度； 3、提高铁路的运输能力；
二、基本任务
就是了解我国目前铁路客货车辆空气制动装 臵的构造和作用原理；了解内燃机车、电力机车 制动机的构造及原理；了解高速、重载列车制动 技术的特点及发展趋势；掌握列车制动的基本理 论和计算及其试验研究方法。
二、主要形式
早期货车转向架的基础制动装臵基本上采用单侧踏面制动。 随着车辆速度和载重量的提高，对转向架的基础制动装臵也提出 了新的要求。由于不同国家对制动距离的要求不尽相同，所以高 速货车转向架的制动方式有较大差异，双侧踏面制动和盘形制动 得到广泛应用。欧洲铁路对制动距离要求较高，120km/h以下的 货车采用单侧或双侧踏面制动，当速度为120km/h以上时，普遍 采用盘形制动加防滑器的方式。北美铁路对制动距离的要求高， 且受三大件转向架结构的制约，难以实现双侧踏面制动和盘形制 动，故仍采用单侧踏面制动。
在列车采用了交流传动技术后，由于相应控制技术 的 发展，使得再生制动的控制变得比较容易。在各种制动方 式中，唯有再生制动方式几乎不需要在列车上增加任何部 件，因此它已成为高速列车极为重要的一种制动方式。列 车的再生制动能力不但取决于电机的功率，更受制于线路 供电网的网压。 (2) 电阻制动 电阻制动方式是把列车动能转化的电能加于列车自带 的电阻器中，使电能变为电阻器的热能，并最终消散于大 气中。电阻制动能提供较稳定的制动力，但车辆底架下需 要安装体积和重量都较大的电阻箱和散热风机。
(2) 滑行状态 车轮在钢轨上滑行，这时车轮与钢轨之间的制动力为 二者的动摩擦力。由于动摩擦系数远小于静摩擦系数，因 此一旦发生这种工况，制动力将大大减小，制动距离就会 延长；同时，车轮在钢轨上长距离滑行，将导致车轮踏面 的擦伤，危及行车安全。这是一种必须避免的事故状态。
(3)粘着状态 列车制动时车轮在钢轨上滚动，由于车辆重力的作用， 车辆与钢轨的接触处为一椭网形的小面积，此时轮轨接触 处既不是静止状态也不是滑动状态，在铁路术语中称这种 状态为粘着状态。由于正压力而保持动轮与钢轨接触处相 对静止的现象称为“粘着”。粘着状态下的静摩力又称为 粘着力。依靠粘着滚动的车轮与钢轨粘着点之间的粘着力 来实现车辆的制动，称为粘着制动。列车采用粘着制动时， 能够获得的最大制动力不会大于粘着力。
粘着系数是表示列车车轮与轨道间粘着状态的指标， 具体说就是粘着力与轮轨间垂直载荷的比值的最大值。粘 着系数受列车运行速度、气候条件、轮轨表面状态以及是 否采取增粘措施等诸多因素的影响，是一个有很大离散性 的参数，所以目前尚未有粘着系数的理论公式。各国都分 别采用大量的试验来得到经验公式，如日本东海道新干线 的粘着系数公式为
列车制动的实质，是通过制动装臵，人为地将列车 运 行时所具有的动能，部分或全部从列车上转移出去。从运 动学的基本原理可知，要改变列车的运动状态，必须对其 施加外力——制动力。所谓制动方式是指列车动能转移的 方式，或制动力获取的方式。
2.2.1 列车动能转移方式
从能量的观点看列车制动，就是通过一定的方式， 把 列车的动能转换成其他形式的能量并移出列车的过程。按 此分类，制动方式可分为摩擦制动、动力制动两类。
1．摩擦制动 摩擦制动方式是通过摩擦副的摩擦，把列车的动能转变 为热能，并消散于大气，其制动性能主要取决于摩擦副的摩 擦性能，主要有以下几种形式。 对于高速列车的摩擦制动，使用最为广泛的是盘形制动。 闸瓦制动又称为踏面制动，是最常用的一种制动方式， 如图4.11所示。在制动时,闸瓦压紧车轮，轮、瓦间发生摩擦， 列车的动能大部分通过轮、瓦间的摩擦变成热能，经车轮与 闸瓦最终逸散到大气中去。
2.2.2 制动力获取方式
根据列车制动力的获取方式，可分为粘着制动与非 粘 着制动。 1．粘着制动 制动时，车轮与钢轨之间有三种可能的状态。 (1) 纯滚动状态 车轮与钢轨的接触点无相对滑动，车轮在钢轨上作纯 滚动。这时车轮与钢轨之间为静摩擦，车轮与钢轨之间可 能实现的最大制动力是轮轨之间的最大静摩擦力。这是一 种难以实现的理想状态。
在高速列车发展初期，由于再生制动技术尚未成熟， 电阻制动成为一种比较主要的制动方式。随着列车速度 的不断提高，列车轻量化成了关键，因此电阻制动方式 被逐渐放弃。 (3) 圆盘涡流制动 圆盘涡流制动的结构与轴盘式盘形制动装臵类似， 只是安装在制动盘两侧的不是闸片，而是电磁铁。在制 动时，让电磁铁导通励磁，安装在轮轴上的金属涡流盘 在磁场中旋转，盘的内部感应出涡流，使涡流盘发热， 列车动能转化为热能，最终消散于大气。圆盘涡流制动 不使用摩擦部件，因此维修量小于盘形制动。
制动盘结构 带散热肋片结构—带圆形、椭圆形肋柱结 构—整体不通风实体锻钢结构
(3)轨道电磁制动 轨道电磁制动也叫磁轨制动。制动时，安装在转向架 构架侧梁下的电磁铁下放，电磁铁励磁，与钢轨产生吸力。 列车的动能通过电磁铁下的磨耗板与钢轨的摩擦转化为热 能，经钢轨和磨耗板，最终散于大气，其原理如图4.13所示。
闸瓦制动方式的动能转化能力大于其热能消散能力。 制动功率较大时，由于热能来不及转移，积聚在闸瓦与 车轮踏面，使它们的温度升高，严重时甚至会导致闸瓦 熔化(铸铁闸瓦)或车轮踏面裂纹等。所以，闸瓦制动方 式的制动功率不能过大，一般轴制动功率小于160 kw。 高速列车一般不采用踏面制动方式。
(2)盘形制动 在制动时，制动缸通过制动夹钳使闸片夹紧制动盘， 闸片与制动盘产生摩擦，把列车的动能转变为热能，热能 通过制动盘与闸片散于大气。如图4.12所示，盘形制动有 轴盘式和轮盘式之分。当制动盘固定在车轴上时，称为轴 盘式盘形制动，一般拖车大多采用这种结构；如果制动盘 连接在车轮上，称为轮盘式盘形制动。在动车(动轴)上， 由于两轮之问需要安装牵引电机等其他设备，若不能安装 轴盘式盘形制动装臵，可考虑采用轮盘式盘形制动装臵。
客车采用盘形制动。推广电空制动、双管供风、防滑器、小 间隙自动车钩和密接式车钩等装备。机车采用空电联合制动及新 型基础制动装臵，研究减少列车纵向冲动的技术措施。货车采用 120型空气制动机及空重车自动调整装臵，逐步淘汰GK、103等旧 型制动机，积极采用高摩合成闸瓦，发展整体铸钢轮。快运货车 采用新型基础制动装臵。列车紧急制动距离分别不得超过： 旅客列车： 120km/h——800m； 140km/h——1100m； 160km/h——1400m； 200km/h——2000m； 250km/h——2700m； 300km/h——3700m； 普通货物列车：90km/h——800m； 快运货物列车：120km/h——1100m。
粘着制动是目前主要的一种制动方式。根据轮轨 间的静摩擦系数 µ、粘着系数ψ、动摩擦系数φ这三者 中μ>ψ>φ的关系，在上述三种情况中：可能实现的制 动力的最大值以第一种状态时为最大，但实际上这是达 不到的；第二种最小，这不但会延长制动距离，而且会 擦伤车轮；第三种介于这两者之间，它随气候与速度等 条件的不同可以有相当的变化。所以，采用粘着制动， 必须对那些可以利用的粘着条件加以研究，以获取可能 的最大的制动力。
盘形制动方式避免了车轮踏面参与制动，可双向选
择 摩擦副的材料甚至形状(使其有利于散热)，因此可实现较 大的制动功率，适用于高速列车。中低速列车盘形制动摩 擦副的材料，以合成闸片配铸铁制动盘为首选。 对于高速列车，可通过两种措施提高轴制动功率。 一 是选择性能更好的摩擦副材料，目前普遍采用粉末冶金闸 片配锻钢制动盘。最新的研究是在探索碳纤维材料、陶瓷 材料和铝合金材料运用于盘形制动的可能性与经济性。
§2－2 制动方式
从作用力与列车的关系来看，驱动或制动都
需要对列车作用以外力。从能量的观点看，驱动 是机车将燃料所具有的能量或电厂所发出的电能 转变成列车的动能；制动就是设法将此动能从列 车上转移出去，使列车减速或停止。采取什么制 动方式使列车的动能转移出去，采取什么制动方 式获取这种外力制动力，是制动的基本问题。 因此，制动方式的研究是制动研究的基础。